고속 PCB 레이아웃 지침: 배치 팁 및 전략

부동산에서는 "위치, 위치, 위치"가 화두입니다. 흥미롭게도 고속 PCB 레이아웃에서도 같은 말이 적용됩니다. 고속 PCB 설계 과정의 모든 측면이 중요하지만, 특히 부품 배치는 라우팅을 용이하게 하고, EMI를 최소화하며, 추가 레이어의 필요성을 없앨 수도 있기 때문에 매우 중요합니다. 표준 PCB 설계에서 문제 없이 작동하는 위치 배치 방법이 고속 설계의 중요한 신호 흐름 요구 사항을 충족시키지 못할 수 있습니다. 설계가 작동하려면 정말로 "위치, 위치, 위치"가 전부입니다.

고속 PCB 레이아웃을 만들 때 고려해야 할 몇 가지 팁과 전략이 있습니다. 먼저, 고속 설계를 위한 기본적인 부품 배치 고려 사항을 살펴본 다음, 보드에 부품을 배치하기 전에 배치도를 만드는 것의 이점에 대해 논의할 것입니다. 마지막으로, 그리고 결코 중요성이 떨어지지 않는 부분으로, 종단 저항의 배치 위치에 대해 논의할 것입니다.

고속 PCB 레이아웃에서의 부품 배치

PCB 레이아웃은 많은 상충되는 목표를 가진 어려운 퍼즐과 같습니다. 종종 일정한 형태의 제약과 층 수 목표를 충족해야 하며, 이러한 제약과 더 많은 요구 사항을 만족시키기 위해 부품을 적절히 배치해야 합니다.

고속 PCB 레이아웃에서 부품은 일반적으로 다음과 같은 방식으로 배열되어야 합니다:

1. 회로 블록별로 그룹화: 먼저, 시스템에서 특정 작업을 수행하는 구성 요소를 함께 그룹화합니다. 예를 들어, 전력 조절에 관여하는 모든 구성 요소를 함께 그룹화해야 합니다.
2. 큰 프로세서 주변으로 그룹화: 이러한 구성 요소는 일반적으로 높은 I/O 수를 가지며 귀하의 그룹화된 회로 블록과 직접 인터페이스합니다. 중앙 프로세서 주변에 첫 번째 레벨 회로 블록을 배열하고, 그 다음에는 이러한 블록 주변에 다운스트림 블록을 배열해 보십시오.
3. 라우팅 채널에 대한 접근성에 따라 그룹화: 다른 구성 요소의 공통 인터페이스에 접근해야 하는 일련의 구성 요소가 있다면, 이러한 구성 요소의 핀이 서로 마주 보도록 배열하십시오. 항상 가능한 것은 아니지만, 성공한다면 내부 레이어를 통해 라우팅하거나 다른 구성 요소 주변을 긴 경로로 라우팅할 필요가 없습니다.

아래 이미지에서, 레이아웃의 가장 오른쪽 영역에 큰 MCU를 볼 수 있으며, 그 주변에는 핀이 MCU를 향하도록 그룹화된 다른 구성 요소들이 있습니다. 좀 더 왼쪽으로 가면, 커넥터, LED, 그리고 일부 패시브 같은 보조 구성 요소들이 보입니다. 이들은 대략 MCU의 한 쪽 면을 향하도록 정렬되어 있습니다. 이는 MCU에서 보드의 왼쪽 영역으로 직접 라우팅을 가능하게 합니다.

 
고속 PCB 레이아웃 예시

회로의 기능 블록 배치를 계획할 때, 전원 및 접지 평면의 필요성도 염두에 두어야 합니다. 연속된 전원 평면 사용이 일반적으로 선호되지만, 설계의 요구에 따라 여러 전압을 위한 분할 전원 평면이 필요한 경우, 분할된 부분을 가로지르는 연결된 구성 요소의 배치에 주의해야 합니다. 고속 전송 라인은 전원 평면의 분할을 가로질러서는 안 되며, 이는 해당 신호의 반환 경로를 끊게 됩니다. 또한, 해당 회로의 일부가 아닌 다른 구성 요소를 회로 구성 요소 사이에 배치하지 마십시오. 이것도 해당 회로의 반환 경로에 영향을 줄 것입니다.

다양한 구성 요소 블록, 커넥터 및 기타 회로의 부품 배치를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

레이아웃의 플로어플래닝을 통해 위치 배치 준비하기

위치 배치를 위한 플로어 플랜을 만드는 것은 고속 PCB 레이아웃을 준비하는 효과적인 방법입니다. 미리 계획함으로써, 위에서 언급한 구성 요소 그룹을 고려할 수 있으며, 디자인의 매우 마지막에 배치될 때 놀라지 않게 됩니다.

기능 블록

전력, RF, 디지털, 아날로그 등과 같은 회로의 기능 블록은 신호 교차를 최소화하기 위해 그룹으로 조직되어 배치되어야 합니다. 사전 배치 플로어 플랜을 통해 기능 블록 간의 신호 흐름이 어떠한지, 그리고 이를 어떻게 계획할지를 볼 수 있습니다. 예를 들어, 가능한 한 저주파 아날로그를 함께 그룹화하여 고주파 또는 고속 신호가 아날로그 회로의 민감한 영역을 통과하지 않도록 합니다.

EMI 및 커넥터

민감한 고속 장치를 보드 가장자리에 가깝게 배치하는 것은 피해야 합니다. 이는 보드의 가장자리가 열린 공동처럼 작용하여 전자기 방사가 보드 가장자리를 통해 탈출할 수 있기 때문이며, 이는 시스템의 다른 구성 요소에 영향을 미칠 수 있는 전자기 간섭(EMI)이 더 많이 발생할 수 있음을 의미합니다.

보드가 데이터나 전력을 위해 필요로 하는 모든 케이블은 보드 내의 커넥터에 도달해야 하며, 이러한 케이블은 EMI를 방출할 수 있습니다. 따라서 커넥터와 고속 구성 요소, 고속 디지털 기능 블록, 고주파 아날로그 블록을 분리하려고 시도하는 것이 일반적으로 좋은 생각입니다. 대부분의 지침은 EMI를 줄이기 위해 커넥터를 보드 가장자리에 가깝게, 민감한 고속 장치는 보드 중앙에 가깝게 배치해야 한다고 명시하고 있습니다.

PCIe 카드용 고속 엣지 커넥터. 

열 관리

고속 설계 배치를 고려할 때 또 다른 측면은 열 효과입니다. 이는 고속 레이아웃 지침이 표준 구성 요소보다 높은 온도에서 작동할 수 있는 장치를 예상하기 때문입니다. 뜨거운 구성 요소 배치가 시원하게 유지되도록 하려면 이러한 구성 요소가 제한 없는 공기 흐름을 받도록 배치를 계획하십시오. 예를 들어, 뜨거운 BGA로 향하는 공기 흐름의 방향으로 커넥터와 같은 더 높은 구성 요소를 배치하지 마십시오.

종단 및 임피던스 매칭 네트워크

최종적이고 가장 구체적인 배치 전략은 종단 저항의 위치 배치를 고려하는 것입니다. 고속 PCB 설계는 구성 요소의 포트 임피던스와 일치시켜야 하는 임피던스에 따라 연결의 소스 끝이나 수신기 끝에 종단을 적용해야 할 수 있습니다. 이러한 저항은 회로의 주요 부분이 이미 배치된 후에 종종 생각나는 대로 추가되는 경우가 많습니다. 이러한 저항은 전체 회로의 일부이므로, 올바르게 기능하려면 그 배치가 매우 중요합니다.

고속 구성 요소를 어디에 배치하고 싶든, 필요한 종단 저항기를 위한 공간을 어딘가에 마련해야 합니다. 그렇다면 설계자는 종단 저항기를 어디에 배치해야 하며, 이것이 신호 동작에 어떤 영향을 미칠까요? 먼저, 우리는 종단 저항기를 직렬 또는 병렬로 추가하는지 고려해야 합니다.

병렬 종단 (풀업, 션트, 또는 테베닌)

병렬 종단은 일반적으로 부하 구성 요소의 입력 임피던스가 높을 때 전송선의 부하 끝을 접지로 션트하는 데 사용됩니다. 때때로, 수신기에 맞게 신호 레벨을 조정하기 위해 풀업 저항기가 사용됩니다. 션트 및 풀업 저항기는 때때로 함께 사용되며, 이를 테베닌 종단이라고 하며, 수신기에서 신호 레벨을 조정하고 부하의 입력 임피던스를 전송선 임피던스와 일치시킵니다. 설계에서 어떤 종단 방법을 사용해야 하는지 확인하려면 구성 요소 데이터시트를 확인하십시오.

이 방식은 종단 저항의 한쪽을 수신기에 가장 가까운 회로 끝에 두고 다른 쪽은 전원 또는 접지 평면에 연결합니다. 부하 핀에서 저항까지의 트레이스 길이가 길수록 회로는 신호 반사로 인해 신호 열화에 더 취약해집니다. 이것이 수신기의 부하 핀에 병렬 저항을 가능한 한 가깝게 배치해야 하며, 바이어를 통해 전원/접지 평면으로 즉시 연결해야 하는 이유입니다.

직렬 종단

직렬 종단의 목적은 드라이버의 출력 임피던스를 연결 임피던스와 동일하게 설정하는 것입니다. 이 종단 방식에서는 저항이 드라이버의 출력 핀 바로에 배치됩니다. 저항이 드라이버의 출력 핀에 매우 가까이 있기 때문에, 드라이버에 의해 본 입력 임피던스는 대략 전송선 입력 임피던스와 같을 것입니다.

고핀 수 구성 요소, 예를 들어 BGA 패키지는 일반적으로 모든 단일 드라이버 핀에 종단이 필요하지 않습니다. 특정 인터페이스는 온-다이 종단을 가질 수 있으므로 외부 종단 저항이 필요하지 않을 수 있습니다. 시리즈 종단이 필요한 핀의 경우, 종단을 적용하기 위해 구성 요소 외부 주변에 일부 여유 공간이 있어야 합니다. 그러나, 대규모 장치에 대해 여러 시리즈 종단 저항을 배치하면 장치 주변의 보드 공간을 많이 차지하게 됩니다. 이는 고속 PCB 레이아웃에서 트랙을 뜯어내고 교체하지 않고도 충분한 공간이 확보될 수 있도록 사전에 계획을 세워야 합니다.

어떤 종류의 종단을 적용해야 하든, 종단하는 구성 요소에 가까운 곳에 저항을 배치하세요. 전송 라인의 중간에 배치하지 마세요. 이 기사에서 이러한 종단 방법에 대해 자세히 알아보세요.

Fan-in/Fanout

고속 PCB 레이아웃 및 라우팅에서는 구성 요소로의 진입 및 출구 라우팅이 중요한 부분입니다. 쿼드 팩과 같은 구성 요소는 트레이스가 올바르게 크기가 조정되는 한 라우팅하기 쉽습니다. 트레이스는 이상적으로 임피던스 사양이 있을 때 패드로 라우팅할 때 최소한의 넥 다운이 발생하도록 크기가 조정되어야 합니다. 인터페이스에 임피던스 요구 사항이 있는 경우, 트레이스 폭이 구성 요소의 패드 크기와 일치하도록 스택 업을 설계하는 것이 가장 좋습니다. 이것이 비용상의 이유로 불가능한 경우, 인근 구리 푸어와 함께 넥 다운이나 동일 평면 라우팅이 필요합니다. 동일 평면은 보통 비현실적이므로, 목표 폭을 달성하려고 시도하는 것이 가장 좋습니다.

넓은 트레이스에서 좁은 핀으로의 넥 다운.

임피던스 제어 버스에서는 중요 길이를 계산해야 하는 요구사항 때문에 넥 다운을 짧게 유지하는 것을 선호합니다. 제 생각에는 50 옴 트레이스 폭 요구사항이 이미 패드 크기까지 트레이스 폭과 일치하도록 스택 업을 설계하는 것이 최선의 방법입니다. 이렇게 하면 넥 다운이 완전히 제거되어 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 임피던스 사양이 없는 버스에서는 라우팅이 매우 길어지거나 케이블로 라우팅하는 경우가 아니라면 걱정하지 않아도 됩니다.

BGA는 어떻습니까? BGA는 패드 사이에 트레이스를 넣기 위해 임피던스가 지정된 버스에서 넥 다운이 필요한 경우가 있는 한 가지 컴포넌트 패키지입니다. BGA를 설계한다면, 1mm 피치의 BGA 패키지에서조차 이미 능력 한계를 밀어붙이고 있을 가능성이 높습니다. 피치는 패드 크기 요구사항을 생성하고, 이는 클리어런스를 유지하기 위한 트레이스 폭 요구사항을 만듭니다.

임피던스가 지정된 버스에서 요구사항에 맞는 트레이스를 확실히 할 수 있도록 하려면, 더 얇은 라미네이트 재료를 사용해야 할 가능성이 높습니다. 임피던스가 지정된 인터페이스를 가진 BGA는 피치가 작아질 때 유전체 두께를 더 작게 만듭니다. 이에 대해 더 잘 이해하려면, 이 기사에서 BGA 팬아웃에 대해 자세히 알아보세요.

Floorplanning 및 우리가 논의한 다른 전략들은 고속 PCB 레이아웃을 생성할 때 훌륭한 시작점을 제공할 것입니다. 최고의 고속 PCB 설계 도구 는 배치뿐만 아니라 설계의 많은 다른 측면에서도 도움을 줄 수 있습니다. 전문 PCB 설계 소프트웨어, 예를 들어 Altium Designer^®는 작업에 적합한 도구를 갖추고 있습니다.

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